Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании
В результате исследований закономерностей механического полирования оптоэлектронных элементов из кристаллических материалов установлено, что параметры шероховатости обработанных поверхностей линейно возрастают при увеличении наиболее вероятных значений размеров и площади поверхности частиц шлама, об...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2018 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160596 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании / Ю.Д. Филатов // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 1. — С. 68-76. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-160596 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Филатов, Ю.Д. 2019-11-12T17:14:30Z 2019-11-12T17:14:30Z 2018 Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании / Ю.Д. Филатов // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 1. — С. 68-76. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160596 621.623 В результате исследований закономерностей механического полирования оптоэлектронных элементов из кристаллических материалов установлено, что параметры шероховатости обработанных поверхностей линейно возрастают при увеличении наиболее вероятных значений размеров и площади поверхности частиц шлама, объема элементарной ячейки и площади обрабатываемой грани кристалла. Показана обратно пропорциональная зависимость параметров шероховатости от энергии, которая затрачивается на образование частиц шлама. Относительная шероховатость обработанных поверхностей кристаллов карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия и сапфира характеризуется соотношением 0,68:0,67:0,63:1,00. В результаті дослідження закономірностей механічного полірування оптоелектронних елементів з кристалічних матеріалів установлено, що параметри шорсткості оброблених поверхонь лінійно зростають при збільшенні найбільш ймовірних значень розмірів та площі поверхні частинок шламу, об’єму елементарної комірки та площі обробленої грані кристалу. Показана обернено пропорційна залежність параметрів шорсткості від енергії, що витрачається на утворення частинок шламу. Відносна шорсткість оброблених поверхонь кристалів карбіду кремнію, нітриду галію, нітриду алюмінію та сапфіру характеризується співвідношенням 0,68:0,67:0,63:1,00. The investigation of the mechanism of mechanical polishing of optoelectronic components made of crystalline materials has demonstrated that the machined surface roughness parameters grow linearly with increasing most probable values of debris particle size and surface area, unit cell volume, and surface area of the crystal plane machined. The surface roughness parameters are shown to be inversely proportional to the energy spent for the debris particle formation. The relative surface roughness of the polished silicon carbide, gallium nitride, aluminum nitride, and sapphire workpieces is represented by the following ratio: ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Исследование процессов обработки Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании Surface roughness of optoelectronic components in mechanical polishing Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании |
| spellingShingle |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании Филатов, Ю.Д. Исследование процессов обработки |
| title_short |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании |
| title_full |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании |
| title_fullStr |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании |
| title_full_unstemmed |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании |
| title_sort |
шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании |
| author |
Филатов, Ю.Д. |
| author_facet |
Филатов, Ю.Д. |
| topic |
Исследование процессов обработки |
| topic_facet |
Исследование процессов обработки |
| publishDate |
2018 |
| language |
Russian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Surface roughness of optoelectronic components in mechanical polishing |
| description |
В результате исследований закономерностей механического полирования оптоэлектронных элементов из кристаллических материалов установлено, что параметры шероховатости обработанных поверхностей линейно возрастают при увеличении наиболее вероятных значений размеров и площади поверхности частиц шлама, объема элементарной ячейки и площади обрабатываемой грани кристалла. Показана обратно пропорциональная зависимость параметров шероховатости от энергии, которая затрачивается на образование частиц шлама. Относительная шероховатость обработанных поверхностей кристаллов карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия и сапфира характеризуется соотношением 0,68:0,67:0,63:1,00.
В результаті дослідження закономірностей механічного полірування оптоелектронних елементів з кристалічних матеріалів установлено, що параметри шорсткості оброблених поверхонь лінійно зростають при збільшенні найбільш ймовірних значень розмірів та площі поверхні частинок шламу, об’єму елементарної комірки та площі обробленої грані кристалу. Показана обернено пропорційна залежність параметрів шорсткості від енергії, що витрачається на утворення частинок шламу. Відносна шорсткість оброблених поверхонь кристалів карбіду кремнію, нітриду галію, нітриду алюмінію та сапфіру характеризується співвідношенням 0,68:0,67:0,63:1,00.
The investigation of the mechanism of mechanical polishing of optoelectronic components made of crystalline materials has demonstrated that the machined surface roughness parameters grow linearly with increasing most probable values of debris particle size and surface area, unit cell volume, and surface area of the crystal plane machined. The surface roughness parameters are shown to be inversely proportional to the energy spent for the debris particle formation. The relative surface roughness of the polished silicon carbide, gallium nitride, aluminum nitride, and sapphire workpieces is represented by the following ratio:
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160596 |
| citation_txt |
Шероховатость поверхностей оптоэлектронных элементов при механическом полировании / Ю.Д. Филатов // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 1. — С. 68-76. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT filatovûd šerohovatostʹpoverhnosteioptoélektronnyhélementovprimehaničeskompolirovanii AT filatovûd surfaceroughnessofoptoelectroniccomponentsinmechanicalpolishing |
| first_indexed |
2025-11-25T22:45:11Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:45:11Z |
| _version_ |
1850570765948157952 |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua/stm 68
Исследование процессов обработки
УДК 621.623
Ю. Д. Филатов
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля
НАН Украины, г. Киев, Украина
filatov@ism.kiev.ua
Шероховатость поверхностей
оптоэлектронных элементов
при механическом полировании
В результате исследований закономерностей механического по-
лирования оптоэлектронных элементов из кристаллических материалов уста-
новлено, что параметры шероховатости обработанных поверхностей линейно
возрастают при увеличении наиболее вероятных значений размеров и площади
поверхности частиц шлама, объема элементарной ячейки и площади обрабаты-
ваемой грани кристалла. Показана обратно пропорциональная зависимость
параметров шероховатости от энергии, которая затрачивается на образова-
ние частиц шлама. Относительная шероховатость обработанных поверхно-
стей кристаллов карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия и сапфи-
ра характеризуется соотношением 0,68:0,67:0,63:1,00.
Ключевые слова: полирование, частица шлама, шероховатость.
ВВЕДЕНИЕ
Прецизионную обработку элементов для оптоэлектроники из
оптических и полупроводниковых кристаллов (сапфир, карбид кремния, нит-
рид галлия, нитрид алюминия и др.) осуществляют в зависимости от требо-
ваний к шероховатости обработанных поверхностей в один или два перехода
на операциях механического полирования (МП) и химико-механического
полирования (ХМП) [1–8]. Механическое полирование оптоэлектронных
элементов можно производить при помощи полировальных порошков как в
связанном, так и в свободном состоянии. Для механического полирования
оптического стекла, кварца и монокристаллического карбида кремния ис-
пользуют инструменты на органической или металлической связке из поли-
ровальных порошков диоксида церия или алмазных микропорошков [9–11].
Такие инструменты со связанными полировальными порошками при МП
элементов и подложек для оптоэлектроники не позволяют стабильно обеспе-
чивать требуемую шероховатость обработанных поверхностей. В основном
© Ю. Д. ФИЛАТОВ, 2018
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 1 69
при МП элементов оптических систем и электронной техники используют
полировальные суспензии и притиры из мягких материалов, на поверхности
которых локализуются зерна полировальных порошков. Для полирования
сапфира, карбида кремния и нитрида галлия в полировальных суспензиях
используют алмазные микропорошки [1, 5, 7, 8, 12, 13]. Для механического
полирования карбида кремния используют суспензии порошков диоксида
церия с размером зерен менее 1 мкм, а также порошков кубического нитрида
бора и МАХ-фазы Ti3AlС2 [5, 6, 14, 15]. При механическом полировании про-
исходит съем обрабатываемого материала и формируется поверхность, зна-
чение среднеквадратичного отклонения профиля которой лежит в диапазоне
от единиц до десятков нанометров. Окончательная обработка элементов и
подложек для оптики и микроэлектроники из сапфира, карбида кремния,
нитрида алюминия, композитных подложек AlN/сапфир и др. происходит
при ХМП, когда интенсивность съема обрабатываемого материала в десятки,
а то и в сотни раз меньше, чем при МП, а среднеквадратичное отклонение
профиля Rq ≤ 1 нм и осуществляется преимущественно при помощи колло-
идных систем на основе кремнезема [1, 2, 16–19].
Повышение качества полированных поверхностей элементов оптико-
электронной техники из кристаллических материалов может быть достигнуто
только на основе изучения механизма образования частиц шлама и формиро-
вания нанорельефа полированной поверхности в процессах МП и ХМП. Це-
лью исследования является изучение закономерностей формирования нано-
рельефа обработанных поверхностей элементов и подложек из сапфира, кар-
бида кремния, нитрида галлия и нитрида алюминия при помощи суспензии
алмазных микропорошков.
ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ
ПОЛИРОВАНИИ
При исследовании закономерностей механического полирования поверх-
ностей элементов и подложек оптоэлектронной техники при помощи полиро-
вальных суспензий используются кластерная модель съема материала при
полировании и физико-статистическая модель образования и удаления с об-
рабатываемой поверхности частиц шлама [5, 8, 20–22]. Механическое поли-
рование представляет собой явление переноса, при котором вследствие обра-
зования и удаления с обрабатываемой поверхности частиц шлама происходит
и съем материала, и формирование ее шероховатости. Производительность
съема обрабатываемого материала определяется коэффициентом объемного
износа [6, 8, 22, 23], а параметры шероховатости обработанной поверхности
зависят от размеров частиц шлама, удаляемых из нее в процессе полирования
[5, 24–27].
Закономерности формирования нанопрофиля поверхностей оптоэлек-
тронных элементов из кристаллических материалов при воздействии на них
полировальной суспензии исследовали при допущениях, что зерна полиро-
вального порошка локализуются на поверхности притира либо на уровне
максимальной высоты неровностей профиля, либо в микропорах поверхности
[28], а частицы шлама образуются вследствие межмолекулярного взаимодей-
ствия между обрабатываемой поверхностью и поверхностью притира. Части-
ца шлама состоит из ξ = k1k2k3 молекулярных фрагментов и имеет вид парал-
лелепипеда, длина сторон которого определяется числами k1, k2, k3, а размер i-
ой частицы – формулой d(i) = [S0(i+1)/π]1/2 (S0 – минимальная площадь по-
верхности) [20]. Высота неровностей профиля обрабатываемой поверхности
www.ism.kiev.ua/stm 70
определяется размерами d(i) частиц шлама или высотой соответствующих им
параллелепипедов h(i), а базовая длина для определения шероховатости оп-
ределяется длинами проекций частиц шлама на обрабатываемую плоскость
l(i). Параметры шероховатости поверхности Ra, Rq и Rmax определяли рас-
четным путем по модельным профилограммам, полученным при помощи
компьютерного моделирования [5, 24].
Изучали нанопрофиль обработанных поверхностей при механическом поли-
ровании монокристаллического карбида кремния (SiC, плотность – 3,21 г/см3,
энергия связи – 3,2 эВ, коэффициент теплопроводности – 490 Вт/(м·К), стати-
ческая диэлектрическая проницаемость – 6,5, постоянные решетки a =
0,3073 нм, c = 1,5110 нм, частоты собственных колебаний молекулярных фраг-
ментов – 794,0, 1000,0 [4–6, 14]), нитрида галлия (GaN, плотность – 6,15 г/см3,
энергия связи – 5,4 эВ, коэффициент теплопроводности – 130 Вт/(м·К), статиче-
ская диэлектрическая проницаемость – 9,5, постоянные решетки a = 0,3189 нм,
c = 0,5185 нм, частоты собственных колебаний молекулярных фрагментов –
144,0, 531,8, 558,8, 567,6, 734,0 и 741,0 см–1 [7, 8, 29–31]), нитрида алюминия
(AlN, плотность – 3,26 г/см3, энергия связи – 6,2 эВ, коэффициент теплопро-
водности – 200 Вт/(м·К), статическая диэлектрическая проницаемость – 8,5,
постоянные решетки a = 0,3112 нм, c = 0,4982 нм, частоты собственных колеба-
ний молекулярных фрагментов – 248,6, 611,0, 657,4, 670,8, 890,0 и 912,0 см–1 [8,
30]) и сапфира (Al2O3, плотность – 3,97 г/см3, энергия связи – 6,3 эВ, коэффици-
ент теплопроводности – 32,5 Вт/(м·К), статическая диэлектрическая прони-
цаемость – 11,5, постоянные решетки a = 0,4758 нм, c = 1,2991 нм, частоты
собственных колебаний молекулярных фрагментов – 573,0, 642,0, 748,0 [6, 8,
23, 24, 32]).
При полировании плоскости C [0001] кристаллических материалов SiC,
GaN, AlN и Al2O3 с гексагональной структурой с межплоскостными расстоя-
ниями Lx = 1,5a, Ly = a 3 и Lz = c/6 размеры частиц шлама определяются в
соответствии с формулами: lx = k1Lx, ly = k2Ly, lz = k3Lz. Поскольку площадь
поверхности частиц шлама Si = S0(i + 1), Ni ,1= , N – число выборок [5, 6, 8,
23, 24], их размеры можно характеризовать наиболее вероятным размером
),()( ν= iPida
i
v , высотой параллелепипедов h(i) ≈ h0(i + 1)1/2 и ее наиболее
вероятным значением ),()( ν= iPihh
i
v , а также длиной проекций частиц на
обрабатываемую плоскость l(i) ≈ [(lx
2 + ly
2)(i+1)]1/2 и их наиболее вероятным
значением ),()( ν= iPill
i
v . Расчетные значения числа молекулярных фраг-
ментов ξ, размеров элементарной ячейки, наиболее вероятных значений раз-
меров частиц шлама приведены в таблице.
Результаты расчета шероховатости поверхностей пластин
Обрабатываемый материал Параметр
SiC GaN AlN Al2O3
Число молекулярных
фрагментов в частице шлама
ξ = k1k2k3
27
k1 = 4
k2 = 2
k3 = 3–4
62
k1 = 4
k2 = 1–2
k3 = 10
57
k1 = 3–4
k2 = 1–2
k3 = 10
73
k1 = 4
k2 = 3
k3 = 6
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 1 71
(Продолжение)
Размер элементарной
ячейки, Å
Lx = 4,610
Ly = 5,323
Lz = 2,518
Lx = 4,784
Ly = 5,524
Lz = 0,864
Lx = 4,668
Ly = 5,390
Lz = 0,830
Lx = 7,137
Ly = 8,241
Lz = 2,165
Площадь грани, Å2 24,5 26,4 25,2 58,8
Объем ячейки V0, Å
3 62 23 21 127
Наиболее вероятный размер
частицы шлама av, нм
2,5 2,4 2,3 4,5
Высота частицы hv, нм 2,40 2,37 2,27 3,56
Проекция частицы
на обрабатываемую
плоскость lv, нм
2,90 2,86 2,49 5,18
Площадь поверхности части-
цы шлама S, нм2
21,6 19,3 17,3 68,6
Константа Лифшица AL,
10–21 Дж (мэВ)
2,0 (13) 2,7 (17) 1,5 (9) 1,6 (10)
Плотность колебательной
энергии γ, мкДж/м2
93 140 87 23
Шероховатость
полированной поверхности
Ra, нм
Rq, нм
Rmax, нм
8,1±0,2
8,7±0,3
14,6±1,8
7,9±0,4
8,4±0,4
13,9±1,1
7,5±0,2
8,0±0,1
13,1±0,4
12,0±0,4
12,8±0,4
19,6±2,1
В результате анализа данных, приведенных в таблице, установлены сле-
дующие закономерности формирования нанорельефа обработанной поверх-
ности элементов из кристаллических материалов при механическом полиро-
вании. На рис. 1 представлены зависимости параметров шероховатости Ra,
Rq и Rmax от наиболее вероятного размера частиц шлама av. Эти зависимости
могут быть аппроксимированы линейными функциями:
,
max
11 β+α=
va
R
Rq
Ra
где
=α
8,2
1,2
0,2
1 ,
=β
3,7
3,3
2,3
1 нм – коэффициенты, определенные при помощи
метода наименьших квадратов; погрешность аппроксимации – не более 2 %.
Из этого следует, что, чем меньше частицы шлама, удаляемые с обрабаты-
ваемой поверхности элементов из кристаллических материалов SiC, GaN,
AlN и Al2O3, тем меньше их высотные параметры шероховатости. Поверхно-
сти элементов из указанных материалов после механического полирования
характеризуются минимальными параметрами шероховатости: Ra ≈ 3,2 нм,
Rq ≈ 3,3 нм и Rmax ≈ 7,3 нм. Линейная зависимость параметров шероховато-
сти от наиболее вероятного размера частиц шлама является основополагаю-
www.ism.kiev.ua/stm 72
щей для процессов механического полирования и находится в полном соот-
ветствии с результатами, полученными для полирования монокристалличе-
ского карбида кремния суспензиями из алмазных микропорошков, порошков
кубического нитрида бора и порошков МАХ-фазы Ti3AlС2 с различным зер-
новым составом [4, 5].
2 3 4
1
10
15
Rmax, нм
Rq, нм
Ra, нм
3
2
a
v
, нм
Рис. 1. Зависимости параметров шероховатости Ra (1), Rq (2), Rmax (3) от наиболее веро-
ятного размера частиц шлама.
На рис. 2 представлены зависимости параметров шероховатости Ra, Rq и
Rmax от наиболее вероятной высоты частиц шлама hv. Эти зависимости так-
же аппроксимированы линейными функциями:
vh
Rq
Ra
2α=
и Rmax = α2mhv + β2,
где
=α
5,2
3,2
2 , α2m = 3,2, β2 = 2,6 нм – коэффициенты, определенные при по-
мощи метода наименьших квадратов; погрешность аппроксимации – не более
2 %. Линейная зависимость параметров шероховатости от наиболее вероят-
ной высоты частиц шлама согласуется с результатами, полученными для
полирования плоскостей сапфира с различной кристаллографической ориен-
тацией [24], когда высота неровностей профиля обрабатываемой поверхности
определяется не размерами частиц шлама, а высотой соответствующих им
параллелепипедов, которая перпендикулярна обрабатываемой плоскости и
зависит от межплоскостных расстояний кристалла. Незначительные отличия
в результатах компьютерного моделирования нанопрофиля полированных
поверхностей кристаллических материалов с одинаковой (в данном случае
гексагональной) структурой по одной и той же плоскости (в данном случае
[0001]), полученных на основе расчетов по наиболее вероятному размеру av
[5] и наиболее вероятной высоте частиц шлама hv [24], показали, что при
анализе шероховатости поверхностей с различной кристаллографической
ориентацией можно пользоваться распределением Пуассона частиц шлама по
высоте.
Также наблюдали линейные зависимости параметров шероховатости Ra,
Rq и Rmax от площади обрабатываемой грани кристалла, объема элементар-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 1 73
ной ячейки и площади поверхности частиц шлама (см. таблицу), которые
наряду с приведенными на рис. 1 и 2 функциями подтверждают правомоч-
ность результатов компьютерного моделирования нанопрофиля полирован-
ных поверхностей.
3,5 4,5
10
15
h
v
, нм
Rmax, нм
Rq, нм
Ra, нм
2
1
3
Рис. 2. Зависимости параметров шероховатости Ra (1), Rq (2), Rmax (3) от наиболее веро-
ятной высоты частиц шлама.
Нанорельеф поверхности при механическом полировании формируется
вследствие удаления из нее частиц износа, наиболее вероятный размер кото-
рых существенно зависит от энергии межмолекулярного взаимодействия
между кластерами на поверхностях зерен полировального порошка и элемен-
та обрабатываемой поверхности, характеризуемой константой Лифшица AL
[6, 23, 24] (см. таблицу). При исследовании влияния плотности колебательной
энергии γ = AL/S [Дж/м2], показывающей затраты энергии на образование
одной частицы шлама с площадью поверхности S, установлено, что наиболее
вероятный размер частиц шлама обратно пропорционален этой величине [5].
На рис. 3 приведены зависимости параметров шероховатости Ra, Rq и Rmax
от энергии, затрачиваемой на образование частиц износа γ.
Эти зависимости могут быть аппроксимированы линейными функциями
(см. рис. 3):
,
max
3
1
3 β+γα=
−
R
Rq
Ra
где 13
3 10
7,1
3,1
2,1
−⋅
=α Дж/м,
=β
3,12
1,7
7,6
3 нм – коэффициенты, определенные при
помощи метода наименьших квадратов; погрешность аппроксимации – 3–
4 %. Гиперболическое уменьшение параметров шероховатости Ra, Rq и Rmax
при увеличении плотности колебательной энергии γ свидетельствует о том,
что механическое полирование поверхностей элементов, обеспечивающее
минимальную шероховатость, необходимо осуществлять при помощи таких
полировальных порошков, которые для конкретного обрабатываемого мате-
www.ism.kiev.ua/stm 74
риала обеспечивают максимальное значение константы Лифшица, т. е. наи-
большую энергию межмолекулярного взаимодействия между ними.
0 10 20 30 40
10
15
Rmax, нм
Rq, нм
Ra, нм
1
3
2
γ–1
, (Дж/м
2
)
–1
Рис. 3. Зависимости параметров шероховатости Ra (1), Rq (2), Rmax (3) от плотности коле-
бательной энергии γ.
Относительная шероховатость обработанной поверхности при полирова-
нии кристаллических материалов SiC, GaN, AlN и Al2O3 при помощи суспен-
зии алмазных микропорошков (по отношению к шероховатости сапфира) R =
Ra/Raсапфир характеризуется соотношением: RSiC:RGaN:RAlN:Rсапфир =
0,68:0,67:0,63:1,00.
ВЫВОДЫ
В результате исследований закономерностей формирования нанопрофиля
обработанных поверхностей при механическом полировании оптоэлектрон-
ных элементов из кристаллических материалов при помощи суспензии ал-
мазных микропорошков на основе модели образования частиц шлама и их
удаления с обрабатываемой поверхности, а также компьютерного моделиро-
вания установлено, что параметры шероховатости кристаллов карбида крем-
ния, нитрида галлия, нитрида алюминия и сапфира линейно возрастают при
увеличении наиболее вероятных значений размера, высоты и площади по-
верхности частиц шлама, а также объема элементарной ячейки и площади
обрабатываемой грани кристалла.
Изучение влияния энергии межмолекулярного взаимодействия зерен по-
лировального порошка и обрабатываемой поверхности, определяемой кон-
стантой Лифшица, на шероховатость обрабатываемой поверхности показало,
что параметры Ra, Rq и Rmax кристаллических материалов обратно пропор-
циональны энергии, затраченной на образование частицы шлама с единичной
площадью поверхности.
Установлено, что при механическом полировании плоскости [0001] кри-
сталлов карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия и сапфира при
помощи суспензии алмазного микропорошка АСМ 2/1 относительная шеро-
ховатость обработанных поверхностей характеризуется соотношением
0,68:0,67:0,63:1,00.
В результаті дослідження закономірностей механічного полірування
оптоелектронних елементів з кристалічних матеріалів установлено, що параметри
шорсткості оброблених поверхонь лінійно зростають при збільшенні найбільш ймовірних
значень розмірів та площі поверхні частинок шламу, об’єму елементарної комірки та
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 1 75
площі обробленої грані кристалу. Показана обернено пропорційна залежність параметрів
шорсткості від енергії, що витрачається на утворення частинок шламу. Відносна
шорсткість оброблених поверхонь кристалів карбіду кремнію, нітриду галію, нітриду
алюмінію та сапфіру характеризується співвідношенням 0,68:0,67:0,63:1,00.
Ключові слова: полірування, частинка шламу, шорсткість.
The investigation of the mechanism of mechanical polishing of optoelectronic
components made of crystalline materials has demonstrated that the machined surface roughness
parameters grow linearly with increasing most probable values of debris particle size and sur-
face area, unit cell volume, and surface area of the crystal plane machined. The surface
roughness parameters are shown to be inversely proportional to the energy spent for the debris
particle formation. The relative surface roughness of the polished silicon carbide, gallium ni-
tride, aluminum nitride, and sapphire workpieces is represented by the following ratio:
0,68:0,67:0,63:1,00.
Keywords: polishing, debris particle, surface roughness.
1. Budnikov A. T., Vovk E. A., Krivonogov S. I., Danko A. Ya., Lukiyenko O. A. Anisotropy of
sapphire properties associated with chemical-mechanical polishing with silica // Funct. Mater.
– 2010. – 17, N 4. – P. 488–494.
2. Vovk E. A., Budnikov A. T., Nizhankovskyi S. V., Kryvonogov S. I., Krukhmalev A. A., Dobrot-
vorskaya M. V. Polishing of AlN/sapphire substrate obtained by thermochemical nitridation of
sapphire // Ibid. – 2013. – 20, N 2. – P. 253–258.
3. Chen X. F., Siche D., Albrecht M., Hartmann C., Wollweber J., Xu X. G. Surface preparation
of AlN substrates // Cryst. Res. Technol. – 2008. – 43, N 6. – P. 651–655.
4. Филатов Ю. Д., Ветров А. Г., Сидорко В. И., Филатов А. Ю., Ковалев С. В. Закономер-
ности финишной алмазно-абразивной обработки монокристаллического карбида крем-
ния // Сверхтв. материалы. – 2013. – № 5. – С. 63–71.
5. Филатов Ю. Д., Ветров А. Г., Сидорко В. И., Филатов А. Ю., Ковалев С. В., Курилович
В. Д., Данильченко М. А., Прихна Т. А., Боримский А. И., Полторацкий В. Г., Куцай А. М.
Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карби-
да кремния // Там же. – 2015. – № 1. – С. 63–71.
6. Filatov O. Yu., Sidorko V. I., Kovalev S. V., Filatov Yu. D., Vetrov A. G. Polishing substrates of
single crystal silicon carbide and sapphire for optoelectronics // Funct. Mater. – 2016. – 23,
N 1. – P. 104–110.
7. Aida H., Takeda H., Kim S.-W., Aota N., Koyama K., Yamazaki T., Doi T. Evaluation of sub-
surface damage in GaN substrate induced by mechanical polishing with diamond abrasives //
Appl. Surf. Sci. – 2014. – 292. – P. 531–536.
8. Филатов Ю. Д., Сидорко В. И., Ковалев С. В. Алмазное полирование кристаллических
материалов для оптоєлектроники // Сверхтв. материалы. – 2017. – № 6. – С. 73–82.
9. Yaguo Li, Yongbo Wu, Libo Zhou, Masakazu Fujimoto. Vibration-assisted dry polishing of
fused silica using a fixed-abrasive polisher / Int. J. Machine Tools Manufact. – 2014. – 77. –
P. 93–102.
10. Filatov Y. D., Filatov O. Yu., Monteil G., Heisel U., Storchak M. Bound-abrasive grinding
and polishing of surfaces of optical materials // Proc. SPIE. – 2010. – 7786. – P. 778613.
11. Ling Y. Low-Damage Grinding / Polishing of Silicon Carbide Surfaces, SIMTech Technical
Report (PT/01/001/PM).
12. Budnikov A. T., Vovk E. A., Kanishchev V. N., Krivonogov S. I. Investigation of residual
stresses in sapphire plates after grinding and polishing // Funct. Mater. – 2012. – 19, N 4. –
P. 478–482.
13. Nowak G., Xia X. H., Kelly J. J., Weyher J. L., Porowski S. Electrochemical etching of highly
conductive GaN single crystals // J. Cryst. Growth. – 2001. – 222. – P. 735–740.
14. Golabczak M. Polishing of hard machining semiconductor materials made of silicon carbide
// Mech. Mech. Eng. – 2011. – 15, N 1. – P. 81–93.
15. Hui Deng, Kenji Hosoya, Yusuke Imanishi, Katsuyoshi Endo, Kazuya Yamamura. Electro-
chemical mechanical polishing of single-crystal SiC using CeO2 slurry // Electrochem. Com-
mun. – 2015. – 52. – P. 5–8.
16. Yan W., Zhang Z., Guo X., Liu W., Song Z. The effect of pH on sapphire chemical mechanical
polishing // ECS J. Solid State Sci. Technol. – 2015. – 4, N 3. – P. 108–111.
www.ism.kiev.ua/stm 76
17. Zhu H., Tessaroto L. A., Sabia R., Greenhut V. A., Smith M., Niesz D. E. Chemical mechani-
cal polishing (CMP) anisotropy in sapphire // Appl. Surf. Sci. – 2004. – 236, N 1–4. – P. 120–
130.
18. Vovk E. A. Chemical-mechanical polishing of sapphire by polishing suspension based on
aerosol // Funct. Mater. – 2015. – 22, N 2. – P. 252–257.
19. Vovk E. A. Deagglomeration of aerosil in polishing suspension for chemical-mechanical
polishing of sapphire // Ibid – 2015. – 22, N 1. – P. 110–115.
20. Филатов Ю. Д., Рогов В. В. Кластерная модель механизма усталостного износа SiO2-
содержащих материалов при их полировании инструментом со связанным полироваль-
ным порошком на основе диоксида церия. Часть 1 // Сверхтв. материалы. – 1994. – № 3.
– С. 40—43.
21. Филатов Ю. Д. Полирование алюмосиликатных материалов инструментом со связан-
ным полировальным порошком // Там же. – 2001. – № 3. – С. 36–49.
22. Филатов Ю. Д., Сидорко В. И. Статистический подход к износу поверхностей деталей
из неметаллических материалов при полировании // Там же. – 2005. – №1. – С. 58–66.
23. Филатов А. Ю., Сидорко В. И., Ковалев С. В., Филатов Ю. Д., Ветров А. Г. Производи-
тельность полирования анизотропных монокристаллических материалов для оптоэлек-
троники // Там же. – 2016. – № 2. – С. 65–76.
24. Филатов А. Ю., Сидорко В. И., Ковалев С. В., Филатов Ю. Д., Ветров А. Г. Шерохова-
тость полированных поверхностей оптико-электронных элементов из монокристалли-
ческих материалов // Там же. – 2016. – № 3. – С. 63–76.
25. Филатов Ю. Д. Механизм образования микрорельефа поверхности при обработке
стекла // Там же. – 1991. – № 5. – С. 61–65.
26. Филатов Ю. Д., Ящук В.П., Филатов А. Ю., Хайзель У., Сторчак М., Монтей Г.
Оценка шероховатости и отражательной способности поверхностей изделий из
неметаллических материалов при финишной алмазно-абразивной обработке // Там же.
– 2009. – № 5. – С. 70–81.
27. Филатов Ю. Д., Сидорко В. И., Филатов А. Ю., Ковалев С. В., Хайзель У., Сторчак М.
Шероховатость поверхностей при финишной алмазно-абразивной обработке // Там же.
– 2009. – № 3. – С. 68–74.
28. Lee H. S., Jeong H. D., Dornfeld D. A. Semi-empirical material removal rate distribution
model for SiO2 chemical mechanical polishing (CMP) processes // Precis. Eng. – 2013. – 37.
– P. 483–490.
29. Harima H., Properties of GaN and related compounds studied by means of Raman scattering
// J. Phys.: Condens. Matter. – 2002. – 14. – P. 967–993.
30. Davydov V. Yu., Kitaev Yu. E., Goncharuk I. N., Smirnov A. N., Graul J., Semchinova O.,
Uffmann D., Smirnov M. B., Mirgorodsky A. P., Evarestov R. A. Phonon dispersion and Ra-
man scattering in hexagonal GaN and AlN // Phys. Rev. – 58, N 19. – P. 12899–12907.
31. Asghar K., Qasim M., Das D. Effect of polishing parameters on chemical mechanical pla-
narization of c-plane (0001) gallium nitride surface using SiO2 and Al2O3 abrasives // ECS J.
Solid State Sci. Technol. – 2014. – 3, N 8. – P. 277–284.
32. Kadleikova M., Breza J., Vesely M. Raman spectra of synthetic sapphire // Microelectr. J. –
2001. – N 32. – P. 955–958.
Поступила 22.08.16
|